EINE KURZE GESCHICHTE DES GPS

EINE KURZE GESCHICHTE DES GPS

Haben Sie schon einmal eine Smartphone-App benutzt, um den Weg zu einem neuen Restaurant zu finden oder den Verkehr auf dem Weg zu vermeiden? Haben Sie schon einmal eine App benutzt, um einen Mitfahrdienst anzufordern? Wie wäre es, wenn Sie Ihre Kilometer bei einem schnellen Lauf aufzeichnen würden? Von so einfachen Dingen wie der Zeitanzeige auf Ihrem Telefon oder Computer bis hin zu so komplexen Dingen wie selbstfahrenden Autos werden diese modernen Notwendigkeiten und Luxusgüter von etwas angetrieben, das die meisten Menschen als selbstverständlich ansehen: dem Global Positioning System (GPS).

Die Technologien, aus denen das GPS besteht, haben sich so tief in den Alltag der Menschen integriert, dass man sich eine Welt ohne sie kaum noch vorstellen kann, aber es hat eigentlich relativ bescheidene Anfänge. Tatsächlich hat die Aerospace Corporation eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung des Konzepts und der Technologie gespielt und unterstützt diese wichtigen Systeme auch heute noch.

Hier finden Sie einen kurzen Überblick darüber, wie die weltraumgestützte Navigation zu einer so grundlegenden Technologie für unser tägliches Leben wurde.

Ein Kind des Weltraumrennens

Im Jahr 1957 startete Russland den Sputnik, den ersten Satelliten, der die Erde erfolgreich umkreiste. Während Sputnik die Erde umkreiste, sendete der Satellit ein Funksignal aus. Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University beobachtete ein seltsames Phänomen: Die Frequenz der von Sputnik gesendeten Funksignale nahm zu, je näher der Satellit kam, und die Signalfrequenz nahm ab, je weiter er sich entfernte.

Diese Verschiebung ist in der Physik als Dopplereffekt bekannt. Durch die Ausnutzung des Dopplereffekts des Sputniks konnten die Wissenschaftler die Bewegung des Satelliten vom Boden aus mit Hilfe von Funksignalen verfolgen. Später erweiterten sie die Idee: Wenn der Standort eines Satelliten vom Boden aus über die Frequenzverschiebung seines Funksignals bestimmt werden konnte, dann konnte auch der Standort eines Empfängers am Boden anhand seiner Entfernung zum Satelliten ermittelt werden.

1958 nutzte die Advanced Research Projects Agency (ARPA) dieses Prinzip, um Transit zu entwickeln, das erste globale Satellitennavigationssystem der Welt. Der erste Satellit für Transit startete 1960, und das von der John Hopkins University APL entwickelte Konzept war in der Lage, militärischen und kommerziellen Nutzern, einschließlich der Raketen-U-Boote der Navy, Navigation zu bieten. Das Programm wurde Mitte der 1960er Jahre an die Marine übergeben, und 1968 war eine Konstellation von 36 Satelliten voll einsatzfähig. Die Transit-Technologie lieferte eine Genauigkeit von bis zu zehn Metern und wird für die “Verbesserung der Genauigkeit der Karten der Landgebiete der Erde um fast zwei Größenordnungen” verantwortlich gemacht, wodurch die Akzeptanz der Satellitennavigation erhöht wurde.

Transit war 28 Jahre lang in Betrieb, bis das Verteidigungsministerium es 1996 durch das heutige Global Positioning System (GPS) ersetzte.

GPS-Innovation vorantreiben

Dr. Ivan Getting, Gründungspräsident der Aerospace Corporation, hatte die Vision eines leistungsfähigeren und genaueren Systems, das er als “Leuchtturm am Himmel” betrachtete. Im Jahr 1963 begann Aerospace mit der Suche nach Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung eines Satellitennavigationssystems. Eine von Phillip Diamond geleitete Studie von Aerospace aus dem Jahr 1963 empfahl ein Konzept mit der Bezeichnung 621-B, und dank der Energie und Weitsicht von Getting gründete die Air Force ein neues Satellitennavigationsprogramm mit der Bezeichnung 621-B. Weitere Systemstudien der Luft- und Raumfahrtingenieure James Woodford und Hideyoshi Nakamura, die 1966 abgeschlossen wurden, empfahlen eine Architektur, bei der die Messungen von vier Satelliten den Bedarf an hochgenauen Uhren in den Empfängern überflüssig machen würden. Auf diese Weise ließen sich die hohen Kosten erheblich senken, was die Einführung der Technologie vorantrieb, da sie wirtschaftlich realisierbar wurde.

Die Architektur sah vor, dass jeder Satellit mit einer eigenen Uhr ausgestattet wird, die in regelmäßigen Abständen durch Signale von Bodenstationen aktualisiert wird und die Positionen der GPS-Satelliten mit hoher Präzision und Genauigkeit überwacht. Die Entscheidung, die Uhren vom Bodenempfänger auf den Satelliten zu verlagern, würde später massive Auswirkungen haben: Ohne die Notwendigkeit, eine Uhr am Boden zu haben, konnten die GPS-Geräte verkleinert werden, so dass sie schließlich in ein Handy passten.

Im weiteren Verlauf der 1960er Jahre wurde die Entwicklung von GPS durch technologische Fortschritte wie Festkörpermikroprozessoren, Computer und Techniken zur Nutzung der Bandbreite unterstützt. Die Entwicklung von Atomuhren am Naval Research Laboratory (NRL) Naval Center for Space Technology führte zu Fortschritten bei einem satellitengestützten Navigationssystem, das als Timation (Time Navigation) bekannt wurde. Die ersten beiden Timation-Satelliten, die 1967 und 1968 gestartet wurden, waren mit Kristalloszillator-Uhren ausgestattet. Ein dritter Satellit, der 1974 gestartet wurde, war der erste, der mit einer Atomuhr ausgestattet war, was die Genauigkeit erheblich verbesserte und eine dreidimensionale Standortabdeckung ermöglichte.

Den Weg nach vorn ebnen

Im November 1972 wurde Air Force Col. Bradford Parkinson mit der Leitung des Satellitennavigationsprogramms betraut. Parkinson leitete ein Team bei der Entwicklung eines Konzepts, das die besten Aspekte von TRANSIT, Timation und Projekt 621-B zusammenfasste. Dieser überarbeitete Systemvorschlag erhielt im Dezember 1973 die Genehmigung des Verteidigungsministeriums für ein passives 1-Weg-Entfernungsmesssystem mit 24 Satelliten, das Atomuhren auf mittleren Erdumlaufbahnen nutzte, um eine 12-Stunden-Periode zu liefern.

Die erste Umsetzung dieses Konzepts begann 1974, als die US-Luftwaffe mit der Entwicklung des ersten einer Reihe von Navstar-Satelliten, des Bodenkontrollsystems und verschiedener Arten von militärischer Benutzerausrüstung begann.

Im Februar 1978 startete der erste Navstar/GPS-Entwicklungssatellit Block I, und bis Ende 1978 wurden drei weitere Navstar-Satelliten gestartet. Zwischen 1977 und 1979 wurden mehr als 700 Tests durchgeführt, in denen die Ingenieure der Luft- und Raumfahrt die Genauigkeit des integrierten Raumfahrt-, Kontroll- und Nutzersystems bestätigten.  Weitere GPS-Block-I-Demonstrationssatelliten wurden in den frühen 1980er Jahren gestartet.